TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
KHOA VẬT LÝ

MÔN: PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU KHOA HỌC

ĐỀ TÀI:

Giáo viên hướng dẫn: Lê Văn Hoàng
Sinh viên thực tập: Hoàng Thị Thanh Thảo
Đoàn Thị Minh Thư
Trần Bùi Cẩm Vân

TP HCM, Ngày 15 tháng 5 năm 2009
1

Phương pháp nghiên cứu khoa học Lý 3 chính quy
MỤC LỤC
LỜI NGỎ………………………………………………………………………. 3

III.2. Tính chất của hạt quark:………………………………… ………19
III.3. Các loại hạt quark:………………………… …………………….20
III.4. Quá trình khám phá ra các loại hạt quark:…………………… ….21
III.5. Điện tích:……………………….…………………………………24
TÀI LIỆU THAM KHẢO………………………………………………………28
PHỤ LỤC……………………………………………………………………….29 3

Phương pháp nghiên cứu khoa học Lý 3 chính quy
LỜI NGỎ

Có một thời, nhiều nhà vật lý đã tưởng rằng proton, neutron và electron
chính là các "nguyên tử" theo định nghĩa của người cổ Hy lạp. Nhưng vào năm
1968, những thí nghiệm được tiến hành trên máy gia tốc tuyến tính ở Standford ở
Hoa Kỳ đã cho thấy rằng các proton và neutron cũng không phải là các hạt cơ
bản nhất. Dựa vào lý thuyết nào người ta lại khẳng định như vậy?
Nhằm giúp cho các bạn sinh viên có thêm tư liệu cho việc dạy và học, các
em học sinh muốn tìm hiểu thêm về vấn đề này, nhóm chúng tôi xin giới thiệu
đến các bạn những kiến thức cơ bản liên quan đến vấn đề này. Hy vọng với
lượng kiến thức này sẽ giúp các bạn phần nào hiểu thêm về vấn để bạn nghiên
cứu.
Do thời gian và kiến thức giới hạn nên khó tránh khỏi những sai sót, mong
các bạn thông cảm. 4

Phương pháp nghiên cứu khoa học Lý 3 chính quy

ngoài gọi là điện tích tự do.
Chuyển động của các hạt mang điện theo một hướng xác định sẽ tạo thành
dòng điện.
Đơn vị của điện tích trong hệ SI là Coulomb (viết tắt là C), 1 C xấp xỉ
bằng 6,24×1018e. Kí hiệu Q được dùng để diễn tả độ lớn một lượng điện tích
xác định, gọi là điện lượng.
Phần lớn điện lượng trong tự nhiên là bội số nguyên của điện tích nguyên
tố. Các hạt quark có điện tích phân số so với e. Phản hạt của một hạt cơ bản sẽ có
điện tích bằng về độ lớn, nhưng trái dấu so với điện tích của hạt cơ bản đó.
Có thể đo điện tích bằng một dụng cụ gọi là tĩnh điện kế.
Điện tích là một đại lượng bất biến tương đối tính, điều đó có nghĩa là vật
(hoặc hạt) mạng điện tích q khi đứng yên, thì vẫn sẽ mang điện tích q như vậy
khi chuyển động. Điều này đã được kiểm chứng trong một thực nghiệm, ở đó
điện tích của một hạt nhân heli (gồm 2 proton và 2 neutron, hạt nhân này di
chuyển rất nhanh) được quan sát là gấp đôi điện tích của một hạt nhân deuteri
(gồm 1 proton và 1 neutron, được xem là chuyển động rất chậm so với hạt nhân
helium).
Điện tích tuân theo định luật bảo toàn điện tích:
6

Phương pháp nghiên cứu khoa học Lý 3 chính quy
“Tổng điện tích của một hệ kín là không thay đổi theo thời gian, không
phụ thuộc vào các biến đổi trong hệ”.
I.3 Các loại điện tích:
Theo quy ước, có hai loại điện tích: điện tích âm và điện tích dương. Điện
tích của electron là âm, ký hiệu là –e, còn điện tích của proton là dương, ký hiệu
là +e với e là giá trị của một điện tích nguyên tố.
II. QUAN NIỆM CỔ ĐIỂN
II.1 Electron:
II.1.1 Lược sử quá trình khám phá ra Electron:

ống chùm ca-tốt (cathode ray tube). Ống chùm ca-tốt là một ống thuỷ tinh, bên
trong có chứa khí có áp suất thấp, một đầu của ống là cực dương, và đầu kia là
cực âm. Hai cực đó được nối với một nguồn có điện thế khác nhau, nguồn này
tạo ra một dòng hạt có thể đi qua khí bên trong ống. Người ta giả thiết rằng có
một chùm hạt phát ra từ cực dương đi về phía cực âm và làm cho ống phát sáng.
Chùm đó được gọi là chùm ca-tốt. Khi đặt một vật chướng ngại nhẹ trong ống thì
vật đó bị di chuyển từ cực dương về cực âm, người ta kết luận hạt đó có khối
lượng. Khi đặt một từ trường vào thì dòng hạt bị dịch chuyển, người ta kết luận
hạt đó có điện tích.

1
Phụ lục V.1, trang 28.
8

Phương pháp nghiên cứu khoa học Lý 3 chính quy
Năm 1897, nhà vật lý người Anh Joseph John Thomson (1856-1940) đã
kiểm chứng hiện tượng này bằng rất nhiều thí nghiệm khác nhau, ông đã đo được
tỷ số giữa khối lượng của hạt và điện tích của nó bằng độ lệch hướng của chùm
tia trong các từ trường và điện trường khác nhau. Thomson dùng rất nhiều các
kim loại khác nhau làm cực dương và cực âm đồng thời thay đổi nhiều loại khí
trong ống. Ông thấy rằng độ lệch của chùm tia có thể tiên đoán bằng công thức
toán học. Thomson tìm thấy tỷ số điện tích/khối lượng là một hằng số không phụ
thuộc vào việc ông dùng vật liệu gì. Ông kết luận rằng tất cả các chùm ca-tốt đều
được tạo thành từ một loại hạt mà sau này nhà vật lý người Ái Nhĩ Lan George
Johnstone Stoney đặt tên là "electron", vào năm 1891.
II.1.4 Thí nghiệm đo điện tích electron: (Thí nghiệm giọt dầu
Millikan)
Năm 1909, Robert Millikan
2
thực

−19
coulomb, và khối lượng khoảng
9.1094 × 10
−31
kg (0.51 MeV/c²), xấp xỉ 1/1836 khối lượng của proton.
Chuyển động của electron xung quanh hạt nhân là một chủ đề gây tranh
cãi. Electron không chuyển động trên một quỹ đạo cố định mà có lẽ nó xuất hiện
tại một số điểm trong khu vực xung quanh quỹ đạo hạt nhân (với xác suất
khoảng 90% thời gian là trên quỹ đạo tính toán).
Electron có spin ½, nghĩa là nó thuộc về lớp hạt Fermion, hay tuân theo
thống kê Fermi-Dirac.
Trong khi phần lớn các electron tìm thấy trong nguyên tử thì một số khác
lại chuyển động độc lập trong vật chất hay cùng với nhau như những chùm điện
10

Phương pháp nghiên cứu khoa học Lý 3 chính quy
tử trong chân không. Trong một số chất siêu dẫn, các electron chuyển động theo
từng cặp.
Khi các electron chuyển động tự do theo một hướng xác định thì tạo thành
dòng điện.
Tĩnh điện không phải là dòng chuyển động của các electron. Nó chỉ tới
những vật có nhiều hoặc ít electron hơn số lượng cần thiết để cân bằng với điện
tích dương của hạt nhân. Khi có nhiều electron hơn proton, vật được gọi là có
"tích điện âm", ngược lại khi có ít electron hơn proton, vật được gọi là có "tích
điện dương". Khi số electron bằng số prôton, vật được gọi là "trung hòa" về điện.
Các electron và phản hạt của nó là positron có thể tiêu hủy lẫn nhau để sản
xuất ra photon. Ngược lại, một photon cao năng lượng có thể chuyển hóa thành
electron và positron bởi một quy trình gọi là sản xuất cặp.
Electron là một hạt cơ bản – có nghĩa là nó không có cấu trúc hạ tầng. Vì
vậy, nó được miêu tả như là một điểm, có nghĩa trong nó không có khoảng

2
1
1(
2


= 0.99999999995 c. (Công thức này chỉ áp
dụng khi γ lớn)
II.1.6 Ứng dụng của Electron:
II.1.6.1 Electron trong vũ trụ:
Người ta cho rằng số lượng electron để có thể bao trùm vũ trụ là 10
130
.
Người ta cho rằng số lượng electron hiện có trong vũ trụ là khoảng 10
79
.
II.1.6.2 Electron trong cuộc sống:
Dòng điện cung cấp cho các thiết bị điện trong nhà và tại công nghiệp là
dòng chuyển động có hướng của các electron. Ống tia âm cực của ti vi sử dụng
chùm điện tử trong chân không để tạo ra hình ảnh trên màn hình lân quang. Tính
chất lượng tử của electron được sử dụng trong các thiết bị bán dẫn như transistor.
II.1.6.3 Electron trong công nghiệp:
Chùm electron được sử dụng trong hàn điện cũng như trong kỹ thuật in đá.
II.1.6.4 Electron trong phòng thí nghiệm:
Các thí nghiệm phát kiến:
12

Phương pháp nghiên cứu khoa học Lý 3 chính quy
Bản chất lượng tử hay rời rạc của điện tích của electron được quan sát bởi
Robert Millikan trong thí nghiệm dầu nhỏ giọt năm 1909.

Proton (p hay H+, tiếng Hy Lạp πρώτον/proton = đầu tiên) là một loại hạt
tổ hợp, một thành phần cấu tạo hạt nhân nguyên tử. Bản thân proton được tạo
thành từ 3 hạt quark (2 quark lên và 1 quark xuống), vì vậy proton mang điện
tích +1e hay +1.602 ×10-19 coulomb.
Có spin bán nguyên, proton là Fermion.
Khối lượng 1.6726 ×10
-27
kg xấp xỉ bằng khối lượng hạt neutron và gấp
1836 lần khối lượng hạt electron.
Trong nguyên tử trung hòa về điện tích, số proton đúng bằng số electron.
Số proton trong nguyên tử của một nguyên tố đúng bằng điện tích hạt
nhân của nguyên tố đó, và được chọn làm cơ sở để xây dựng bảng tuần hoàn .
Proton và neutron được gọi là nucleon. Đồng vị phổ biến nhất của nguyên
tử hydrô là một proton riêng lẻ (không có neutron nào). Hạt nhân của các nguyên
tử khác nhau tạo thành từ số các proton và neutron khác nhau. Số proton trong
hạt nhân xác định tính chất hóa học của nguyên tử và xác định nên nguyên tố hóa
học.
II.2.2 Sự ổn định:
Proton là một loại hạt ổn định. Tuy nhiên chúng có thể biến đổi thành
neutron thông qua quá trình bắt giữ electron. Quá trình này không xảy ra một
cách tự nhiên mà cần có năng lượng:

14

Phương pháp nghiên cứu khoa học Lý 3 chính quy
Quá trình này có thể đảo ngược: các neutron có thể chuyển thành proton
qua phân rã bêta.
II.2.3 Trong hóa học:
Trong hóa học và hóa sinh, proton được xem là ion hydrô, kí hiệu là H
+

1.67492729(28)×10
−27
kg, xấp xỉ bằng khối lượng hạt proton.
Neutron được tìm thấy trong hạt nhân của nguyên tử. Hầu hết hạt nhân của
các nguyên tử bao gồm proton và neutron, cái mà người ta gọi chung là
nucleons. Số hạt proton trong hạt nhân trong nguyên tử là được gọi là số nguyên
tử xác định vị trí của nguyên tố. Số hạt neutron quyết định số đồng vị của
nguyên tố. Ví dụ như cacbon -12 đồng vị gồm 6 proton và 6 neutron, trong khi
đó cacbon -14 đồng vị thì có 6 proton và 8 neutron.
Giới hạn của neutron trong hạt nhân là bền, neutron tự do là không bền, nó
chịu phóng xạ beta với thời gian sống dưới 15 phút (885.7 ± 0.8 s). Neutron tự
do được sản xuất trong quá trình phân rã và tổng hợp hạt nhân.
II.3.2 Lịch sử khám phá:
Năm 1930, Walther Bothe và Herbert Becker người Đức đã thấy rằng nếu
hạt alpha với năng lượng lớn từ Poloni rơi vào hạt nhân nhẹ, đặc biệt là Beri, Bo,
Liti thì sinh ra 1 tia phóng xạ bất thường có khả năng đâm xuyên, lần đầu tiên
phóng xạ này được coi là phóng xạ gamma, mặc dù khả năng đâm xuyên của nó
lớn hơn bất kì tia gamma đã biết nào, và các chi tiết dựa trên kết quả thí nghiệm
rất khó để giải thích trên nền tảng nguyên tắc này. Bài đăng quan trọng kế tiếp
16

Phương pháp nghiên cứu khoa học Lý 3 chính quy
được tuyên bố chính thức 1932 bởi Irène Joliot-Curie và Frédéric Joliot tại Pháp.
Họ chỉ ra rằng những bức xạ chưa biết này khi rơi vào Paraffin hoặc hợp chất
của Hidro thì nó sẽ bắn ra Proton với một năng lượng rất cao. Điều này không
mâu thuẫn với giả định về bản chất của tia gamma trong phóng xạ mới, nhưng sự
phân tích chi tiết về số lượng thông tin trở nên khó dần để nó phù hợp với giả
thuyết.
Cuối cùng, năm 1932 nhà vật lý James Chadwick
4

+ e
−
+ νe
Phân rã này được biết như phân rã beta, có thể thay đổi đặc tính của
neutron trong hạt nhân không bền.
Bên trong hạt nhân, proton có thể thay đổi bằng cách đổi ngược phản ứng
phân rã beta của neutron. Trong trường hợp này, sự chuyển đổi xảy ra bởi sự
thoát ra của 1 positron (phản electron) và 1 neutrino (thay vì là 1 phản neutrino).
p
+
→ n
0
+ e
+
+ νe
Sự thay đổi của 1 proton thành neutron bên trong hạt nhân có thể dẫn đến
việc bắt electron.
p
+
+ e
−
→ n
0
+ νe
Bắt positron bởi neutron trong hạt nhân có thể ngăn chặn sự vượt trội của
neutron, nhưng nó bị cản trở vì positron bị đẩy lùi bởi hạt nhân, và nó nhanh
chóng bị hủy diệt khi nó va chạm với electron.
Phản ứng beta và bắt electron là các kiểu của phân rã phóng xạ và cả 2 đều
chịu ảnh hưởng của tương tác yếu.
II.3.3.2 Moment lưỡng cực điện:

người Scotland –James Joyce.

5
Phụ lục V.6, trang 31.
19

Phương pháp nghiên cứu khoa học Lý 3 chính quy
Hạt quark là hạt cơ bản tạo nên 99,9% vật chất bình thường, tuy nhiên
không thể nghiên cứu một hạt quark đơn lẻ trong phòng thí nghiệm. Vì vậy, một
số tính chất cơ bản của hạt quark không được biết đến, như khối lượng chính xác
của chúng hoặc tại sao chúng tồn tại ở 6 dạng khác nhau? Hiện nay, các nhà vật
lý hạt đang nỗ lực thực hiện một công trình nghiên cứu mới để giải quyết bí ẩn
của hạt quark với việc hoàn thành ba siêu máy tính mạnh nhất chưa từng thấy
được sử dụng cho vấn đề này.
Việc tìm ra hạt quark thực hiện hàng loạt các phép đo tán xạ electron
không đàn hồi từ proton và neutron nhằm đưa ra bằng chứng thực hiện trực tiếp
đầu tiên về việc proton và neutron được tạo thành từ hạt QUARK (hạt cơ bản).
Quark là một trong hai thành phần cơ bản cấu thành nên vật chất trong Mô
hình chuẩn của vật lý hạt. Các phản hạt của quark được gọi là các phản quark.
Quark và phản quark là những hạt duy nhất tương tác trong cả 4 lực cơ bản của
vũ trụ.

Đường đi của 6 hạt quark từ phải sang trái.
III.2 Tính chất của hạt quark:

của proton

Cấu trúc quark
của proton

Cấu trúc quark
của neutron

C
ấu trúc quark của
phản pion (π+)

Cấu trúc quark
của proton

Cấu trúc quark
của neutron

Cấu trúc quark
của phản pion

Hai đ
ịnh dạng của
các hạt

III.4 Quá trình khám phá ra các loại hạt quark:
Đến nay đã biết 6 quark khác nhau. Để phân biệt, mỗi loại gọi là một
hương. Như vậy quark có 6 hương, ký hiệu: u, d, s, c, b, t. Quark có một số
lượng tử cộng tính gọi là Baryon, ký hiệu là B. Mỗi hương quark đều có số
Baryon bằng 1/3. Các phản quark có số Baryon bằng -1/3.

+ p ; 
+
+ n
 e
-
+ 
e
+ p ; 
-
+ 

+ p
Định luật bảo toàn số lạ đều bị vi phạm. Các hạt sản phẩm phân rã có số lạ
bằng 0. Vì vậy sự phân rã của lambda phải gây nên bởi tương tác khác, yếu hơn
nhiều so với tương tác điện từ và tương tác mạnh, gọi là tương tác yếu. Tương
tác yếu sẽ biến quark lạ thành quark up và quark down. Hệ quả là lambda bị
phân rã thành các hạt không lạ. Do tương tác rất yếu nên lambda có thời gian
sống dài hơn dự kiến.
Trong các quá trình:
uds uud
u
d uds udd
22
dduu


o
 p + 
-
; 

Fermilab (Fermi National Acceleration Laboratory ở Batavia, Illinois (gần
Chicago)), đã tìm thấy một hạt cộng hưởng mới với khối lượng cỡ 9,4 GeV. Hạt
này đã được xem như trạng thái liên kết của cặp quark mới là quark đáy – phản
24

Phương pháp nghiên cứu khoa học Lý 3 chính quy
quark đáy, bottom – antibottom quark, ký hiệu: b và
b
và được gọi là meson
Upsilon Y. Từ các thí nghiệm này suy ra khối lượng của quark đáy b là cỡ 5
GeV. Phản ứng được nghiên cứu đã là:
P + N 
+


-
+ X
Trong đó N là hạt nhân của đồng đỏ hoặc platinum. Hương quark đáy có
một số lượng tử mới, đó là số đáy B
q
= -1. Đối với các hương quark khác số đáy
bằng không.
Các quark hình như tạo với nhau thành các đa tuyến trong thuyết tương
đối yếu. Chúng tạo thành các lưỡng tuyến yếu như (u,d), (c,s). Khi cần đưa vào
quark đáy b để giải thích sự tồn tại của hạt Upsilon, thì tự nhiên sẽ nảy sinh vấn
đề tồn tại một hạt quark song hành với nó. Hạt này được gọi là quark đỉnh – top
quark, ký hiệu là t. Vào tháng 4 năm 1995 sự tồn tại của hương quark đỉnh t
được khẳng định. Bằng máy gia tốc Tevatron thuộc viện Fermilab đã tạo ra
proton cỡ 0,9 TeV và cho nó va chạm trực tiếp với phản proton có năng lượng
tương tự. Bằng cách phân tích các sản phẩm va chạm đã tìm được dấu vết của t.